滤波器对PWM变频调速电动机端子上电压波形的影响分析

1引言

随着微电子技术和现代控制理论在交流变频调速系统中的应用，变频器(或逆变器)的性能也得到飞跃性的提高，并越来越广泛地应用于工业生产和日常工作的许多领域之中。但是，变频器输出的具有陡上升沿或下降沿的脉冲电压却在电动机接线端子及绕组上产生了过电压，造成电动机绕组绝缘的过早破坏。试验研究表明，很高的电压上升率(dv/dt)在电动机绕组上产生极不均匀的电压分布，且随着变频器与电动机之间电缆(线)长度的增加，在电动机接线端子上产生高频振荡的过电压，当电缆长度超过某一临界值后，电动机端子上过电压的幅值达到变频器输出电压的2倍，长时间重复性的电压应力的作用将导致电动机绕组匝间绝缘的过早破坏。

为了降低电动机端子上高频振荡的过电压，最适宜的方法之一是在电动机端子上安装特殊设计的滤波器。滤波器的参数与变频器特性及电缆参数有关，然而变频器、电缆及电机一般都不是同一制造商或销售商提供，变频器的开关特性、电缆参数及长度的不确定性，使得滤波器的参数选择具有不固定性。关于滤波器的参数与电机端电压或电流特性的关系，目前还未有系统研究的报道。本文主要研究在不同电缆长度下，滤波器的参数对电机端电压特性的影响，确定电缆长度、滤波器的电阻和电容与电机端子过电压幅值及脉冲上升沿时间的关系，找出滤波器参数的选择范围，为变频调速驱动系统的制造和使用提供试验依据和理论基础。

2试验研究及分析

PWM变频调速驱动系统中，造成电机端子产生高频振荡过电压的原因，用传输线理论可以很好地解释，并且通过试验研究也进一步得到证实，它是造成电机绝缘过早破坏的原因之一，因此为了延长电机寿命，除了提高电机自身的绝缘水平外，还必须尽最大可能抑制过电压的浪涌冲击。

21滤波器与驱动系统的等值电路

在电动机端子上安装阻抗匹配器可以很大程度地消弱过电压，最简单的是并联一个与电缆的波阻抗接近的电阻，但由于电缆(线)的波阻抗很小，一般为10Ω～500Ω，故并联电阻上的功耗很大，达到数百至数千瓦，因此一般不采用纯电阻匹配器，通常都采用一阶RC低通滤波器。

无源低通一阶阻尼滤波器是电阻和电容串联后并接在电机接线端子相—相上，根据传输线一次波过程的彼得逊(Petersen)规则，滤波器与变频器、电缆和电机组成了如图1所示的等值电路，其中2US为等值电源电压，US即为变频器输出电压，Z0为等值电缆波阻抗，Zm为电机绕组波阻抗，Rf为滤波器电阻，Cf为滤波器电容。

图1一次波过程的等值电路

图2电动机端子上电压上升沿波形与滤波器电容Cf和电阻Rf的关系

(a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

(c）Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

以前研究中已经证实，在通用PWM驱动变频器的载波频率(600Hz～15kHz)下，平均脉冲宽度在数十微秒以上，而由波过程产生的高频振荡过程一般约需十几微秒，因此在分析PWM变频器输出的连续脉冲波的波过程时，可用一个阶跃波的波过程来表示。

电缆的波阻抗Zc可通过测量单位长度的电容C0和电感L0来求得。本文采用低压三相PVC绝缘护套电缆线，测得相—相间C0约为76×10－11F/m，L0约为65×10－7H／m，从而根据Zc=(L0/C0)1／2求得Zc约为92Ω。这里考虑电源有很小的内阻抗，因此对图1中的等值电缆波阻抗Z0可近似取为100Ω。电动机由于是电感性负载，其波阻抗Zm远大于电缆的波阻抗。